SZENT ISTVÁN EGYETEM KÖRNYEZETTUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA TOXIKUS NEHÉZFÉMSZENNYEZÉS UTÓHATÁSÁNAK VIZSGÁLATA BARNA ERDŐTALAJON Doktori (PhD) értekezés tézisei SZEGEDI LÁSZLÓ GÖDÖLLŐ 2011
A doktori iskola megnevezése: KÖRNYEZETTUDOMÁNYI DOKTORI ISKOLA tudományága: Környezettudomány vezetője: Dr. Heltai György egyetemi tanár, az MTA doktora, tanszékvezető Szent István Egyetem Mezőgazdaság- és Környezettudományi Kar Kémia és Biokémia Tanszék témavezető: Dr. habil Szabó Lajos egyetemi tanár, a mezőgazdasági tudomány kandidátusa általános igazgatóhelyettes Magyar Tudományos Akadémia Talajtani és Agrokémiai Kutatóintézet...... Az iskolavezető jóváhagyása A témavezető jóváhagyása
1. A MUNKA ELŐZMÉNYEI, KITŰZÖTT CÉLOK 1.1. A munka előzményei Az utóbbi évtizedekben az emberi tevékenység olyan kedvezőtlen hatással van környezetére, amely gyakran irreverzibilis változásokat eredményez. A levegő, a víz és a talaj elszennyeződés, valamint az élő szervezetekre gyakorolt kedvezőtlen hatás ma már globális problémának tekinthető, ezért napjainkban a környezetszennyezés a földi élet alapjait veszélyezteti. A kémiai környezetterhelés, különösen a mikroelemek és toxikus nehézfémek felhalmozódása meghatározó egészségügyi, biológiai és ökológiai jelentőségű (KÁDÁR 1991, 1995, 2001b; CSATHÓ 1994a; SIMON 1999a, 2006a). A nehézfémmel szennyezett talajok alapvető környezeti problémát jelentenek. A talaj képes a környezetbe kerülő nehézfémek megkötésére és tárolására. Egy bizonyos terhelési szint felett, illetve a talajban lezajló egyensúlyi folyamatok változásával a megkötött toxikus nehézfémek mobilizálódhatnak, ezáltal a vízrendszeren vagy a táplálékláncon keresztül a nehézfémek ökoszisztémába való bejutását okozhatja, veszélyeztetve ezzel az érzékenyebb fajokat, és magát az embert (SIMON, 1999a, FODOR, 2002, KÁDÁR, 1995, 1996ab, 2001b; KÁDÁR et al., 1998; CSATHÓ, 1994b). A különböző ökológiai viszonyokkal (talajtani, hidrológiai, éghajlati) rendelkező tájegységekben a nehézfémszennyezés törvényszerűségei, tendenciái eltérően mutatkoznak. Mivel a változások csak hosszú távon érvényesülnek, a hatások évek múltán mutathatóak ki, azért a jelenségek vizsgálata, a törvényszerűségek feltárása terheléses szabadföldi tartamkísérleti jelleggel lehet megbízható. A tartamkísérletekben ismerhető meg az eltérő terhelésű talajokon termesztett növények mennyiségének és minőségének változása, illetve élelmiszer és takarmány alapanyagként való felhasználhatósága (KÁDÁR, 1995, 1996ab). A talajok nehézfémterhelésére vonatkozó kutatási prioritásokat a hazai talajtani adottságokból kiindulva kell meghatározni, amelyek eredményei alapján megítélhető a nehézfémek mozgása a talaj-növény rendszerben, meghatározhatóak az egyes szennyezettségi határértékek. Ennek érdekében az MTA Talajtani és Agrokémiai Kutató Intézetében 1991-ben indult a Környezetünk nehézfémterhelésének vizsgálata című kutatási program. A program a legfontosabb hazai talajtípusokon szabadföldi kisparcellás tartamkísérletekben vizsgálta a nehézfémek és más potenciálisan toxikus elemeknek a viselkedését a talaj-növény rendszerben és a táplálékláncban. A kutatási program részeként 1994 őszén a Károly Róbert Főiskola Tass-pusztai Tangazdaságában csernozjom barna erdőtalajon került beállításra szabadföldi kisparcellás nehézfémterheléses tartamkísérletet, amelynek során a talaj-növény-mikroelem kapcsolatok vonatkozásában adatok gyűjtése, összefüggések, tendenciák megállapítása történt. 1
Doktori értekezésemben a talajra és az 1999-2007. között a termesztett jelzőnövényekre vonatkozó vizsgálati eredményeket dolgozom fel és foglalom össze, a toxikus nehézfémek talajban, talaj-növény rendszerben való viselkedését, növényi akkumulációját, fitotoxikus hatását elemzem. 1.2. Célkitűzések 1. A talaj szántott rétegébe juttatott toxikus nehézfémek (Al, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn) talajban való viselkedésének tanulmányozása. 1.1. A toxikus nehézfémek kémiai módszerekkel (cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 és NH 4 -acetát + EDTA kioldással) történő visszamérhetőségének, a visszamérhetőség időbeni változásának vizsgálata. 1.2. A toxikus nehézfémek oldhatósági sorrendjének, az oldhatósági sorrend időbeni változásának meghatározása. 1.3. A toxikus nehézfémek mélységi elmozdulásának (kimosódásának) vizsgálata. 2. A talaj szántott rétegébe juttatott toxikus nehézfémek (Al, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn) talaj-növény rendszerben való mobilitásának és fitotoxicitásának tanulmányozása. 2.2. A toxikus nehézfémek növényi akkumulációjának és transzlokációjának vizsgálata borsó, silócirok, őszi árpa, fehér mustár, rostkender és lucerna kísérleti növény esetében. 2.2. A kísérleti növények takarmányozásra és humán fogyasztásra való hasznosíthatóságának és a talajszennyezettségi határértékek megfelelőségének vizsgálata a vonatkozó jogszabályok alapján. 2.3. A toxikus nehézfémek fitotoxicitásának, termés- és a minőségrontó hatásának vizsgálata borsó, őszi árpa és fehér mustár kísérleti növény esetében. 3. Annak megállapítása, hogy a talaj szántott rétegének NH 4 -acetát + EDTA kioldással becsült toxikus nehézfémtartalma a kísérleti növények esetén mennyiben felel meg a tényleges növényi elemfelvételnek, a kísérleti növények által felvett elemtartalomnak. 4. A jelzőnövények és a talaj szántott rétegének toxikus nehézfémtartalma közötti összefüggések vizsgálata, az összefüggésvizsgálat eredményei alapján az egyes kísérleti növényeknél talajszennyezettségi határértékek megállapítása. 2. ANYAG ÉS MÓDSZER 2.1. A kísérlet bemutatása A szabadföldi kisparcellás nehézfémterheléses tartamkísérletet helyszíne a Károly Róbert Főiskola Tasspusztai Tangazdaságának A-14-es táblája. Természetföldrajzi besorolás szerint a kísérleti terület az Északiközéphegység nagy tájhoz tartozó Mátraalján az Észak-alföldi hordalékkúp-síkság északi határán helyezkedik el. A kísérleti hely talaja bázikus üledéken kialakult csernozjom barna erdőtalaj. 2
A kísérletet 1994 őszén 8 elemmel (Al, As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn), 3 terhelési szinten (30, 90 és 270 kg elem/ha), 3 ismétlésben, 35 m 2 területű (3,5 m x 10 m-es) parcellákkal került beállításra. Az osztott parcellás (split-plot) elrendezésű kísérletben a 8 vizsgált elem jelentette a főparcellákat, a 3 terhelési szint az alparcellákat. A kezelések száma 24, az összes parcellaszám 72 volt. Az alkalmazott fémkezelések olyan talajszennyezettségi viszonyokat modelleztek, amelyek ipari létesítmények, autóutak és települések szennyezett környezetében, a városi kiskertekben előfordulnak, illetve előfordulhatnak. A nagy adagú terhelések a talajszennyezési szintek modellezését szolgálták. A kezelések az elemek vízoldható sóival történtek egy alkalommal, a kísérlet beállításakor. A kiszórandó adagokat az előzetes kimérést követően a helyszínen száraz homokkal kerültek összekeverésre, majd kézzel egyenletes szétszórásra az egyes parcellákon. A kiszórást követően a sókat kombinátorral 8-10 cm mélyre a talajba dolgozták. A kísérletben a növényi sorrend a következő volt: őszi búza (1995), kukorica (1996), napraforgó (1997), borsó (1998), silócirok (1999), ősziárpa (2001), fehér mustár (2002), rostkender (2003) és lucerna (2005-2008). Doktori értekezésemben a talaj nehézfémtartalmának alakulását és kísérleti növényekre gyakorolt hatását a borsó, a silócirok, az ősziárpa, a fehér mustár, a rostkender és a lucerna jelzőnövény esetében vizsgáltam. A talajmunkák, trágyázás, vetés, ápolási munkák minden évben az általános üzemi agrotechnika szerint történtek. A kísérletben talajfertőtlenítés, vegyszeres gyomirtás nem volt, hogy a peszticidek esetleges hatása a kísérletet ne zavarhassa meg. 2.2. Talajmintavétel, talajvizsgálatok A kísérlet során 1995-ben, 1996-ban, 1997-ben, 2000-ben, 2001-ben, 2005-ben és 2007-ben a szántott rétegben talajvizsgálatokra került sor a talajba juttatott nehézfémek sorsának (átalakulás, kimosódás) nyomonkövetése céljából. Az 1996-os évben mélységi mintavétel is történt. A talajmintavétel kézi botfúróval történt. Nettó parcellánként a parcellaszegélytől 0,5 m-t körbe elhagyva 20-20 pontminta (leszúrás) reprezentált egy-egy átlagmintát. A mélységi mintavétel esetén nettó parcellánként 5-5 fúrás képezett egy-egy átlagmintát rétegenként. Az átlagmintákból a LAKANEN-ERVIÖ (1971) által javasolt NH 4 -acetát + EDTA kioldása után meghatározásra került az oldható ( felvehető ), a VÁRALLYAY (1995) által leírt cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 feltárással pedig az összes elemtartalom. A talaj kivonatok (MSZ-08-1722/1-1989) elemanalízise ICP- AES plazmaemissziós spektrofotométerrel történt az MTA Talajtani és Agrokémiai Kutató Intézet, illetve 2007-ben a Károly Róbert Kft. laboratóriumában. 3
2.2. Növénymintavétel, növényvizsgálatok Növénymintavételre a növények tápláltsági állapotát leginkább meghatározó fenofázisokban került sor. KÁDÁR (1992) szerint ezek a borsónál és a lucernánál a virágzás kezdete, az őszi árpánál a bokrosodás vége (zöld hajtás) és a kalászhányás (kalász alatti levél), a mustárnál a zöldbimbós, illetve az aratás előtti állapot. A kender és a cirok esetén a mintavétel teljes éréskor történt. A mustár esetén az érés idején uralkodó aszály miatt a becők kényszeréretté váltak, felnyíltak és az összeszáradt magok elperegetek, ezért magot a kísérlet során fogni nem lehetett. A borsó és az őszi árpa esetén a terméselemek megállapítása és az egyes növényi szervek vizsgálata céljából a szár-, hüvely- és magtermés külön mérése és elemezése is megtörtént. A növénymintavétel - a teljes föld feletti növény leszedésével - minden esetben nettó parcelláról, minden parcellán háromszor egy véletlenszerűen kiválasztott folyóméterről történt, a parcellák szegélyétől 0, 5 m-t körben elhagyva. Tömegmérés, szárítás és darálás után történt a növényi minták elemtartalmának meghatározása. A cc HNO 3 + H 2 O 2 feltárást követően az elemanalízist ICP- AES plazmaemissziós spektrofotométerrel történt az MTA Talajtani és Agrokémiai Kutató Intézet, illetve 2007-ben a Károly Róbert Kft. laboratóriumában. 2.3. Az adatfeldolgozás és értékelés módszertana A talajra, termesztett növényre, növényi szervre gyakorolt nehézfémkezelések hatásának vizsgálata elemenként, terhelési szintenként történt. A tendenciaszerű változások, statisztikailag igazolható különbségek feltárása volt a cél a talaj és a növény, növényi szerv nehézfémtartalmának alakulásában a terhelések hatására. A vizsgáltam a kezeléshatások időbeni változását (talaj felvehető elemtartalma, nehézfém-terhelések fitotoxikus hatása) is. Az adatok matematikai, statisztikai értékelése a kéttényezős, osztott parcellás (split-plot) elrendezésű kísérletek esetén variancia-analízissel történt, az összefüggés-vizsgálatokat pedig regresszió analízissel végeztem (SVÁB, 1981). Az SzD értékek P=5%-os szignifikancia szintre vonatkoznak. A regresszió analízis mellett a szórások jellemzésére a variációs koefficiensek (CV) értékének meghatározása is megtörtént, amelyek alapján a regressziós kapcsolatot leíró függvény matematikai modellként történő alkalmazhatósága értékelhető. 3. EREDMÉNYEK 3.1. Talajvizsgálati eredmények A kísérlet során végzett talajvizsgálatok a toxikus nehézfémek oldhatósági viszonyainak tanulmányozására, a nehézfémek szántott rétegben való akkumulációjának vizsgálatára, illetve kilúgozódásuk megítélésére 4
irányultak. Hazai és nemzetközi tapasztalatok szerint az oldható, a növények számára felvehetőnek tekinthető toxikus nehézfém frakció a meghatározó környezetvédelmi, élettani és agronómiai szempontból. Mennyisége egyes elemeknél utalhat extrém növényi felvételre, esetleg a kimosódásra (vízbázisok szennyeződésére), illetve a talajban való megkötődésre. A talajmintákban az oldható (NH 4 -acetát + EDTA oldható) elemtartalmak mellett a legtöbb esetben a cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 kioldással becsült összes elemtartalmak is meghatározásra kerültek. Élettani szempontból ugyan az oldható, a növények számára felvehetőnek ítélt elemtartalomnak van jelentősége, de környezetvédelmi megközelítésben az összes elemtartalomnak is fontos szerepe van, hiszen a környezet változásával (pl. talajsavanyodás) az összes elemtartalom, agy annak egy része oldhatóvá, a növények számára felvehetővé válhat. Az eredmények birtokában válasz adható arra is, hogy a nehézfém-terhelések (szennyezések) milyen arányban mérhetők vissza az alkalmazott analitikai módszerekkel. A fontosabb talajvizsgálati eredmények: 1. A csernozjom barna erdőtalajon a vízoldható sók formájában kiadott nehézfémek oldható (NH 4 -acetát + EDTA oldható) frakciója a kísérlet harmadik évére minden elem esetében jelentősen csökkent, majd a kísérlet nyolcadik évét követően az elemek további megkötődésével csak kisebb ingadozásokat mutatott. Egyértelmű és drasztikus csökkenés az arzén, a króm és a higany esetén volt megfigyelhető. A króm és a higany oldható elemtartalma a kijuttatást követő harmadik évben gyakorlatilag eltűnt a szántott rétegből, az arzén oldható koncentrációja pedig töredékére csökkent. A higany oldható frakciója a szántott rétegben a kísérlet további éveiben nem volt kimutatható. 2. Tizenkét év elteltével mindkét módszerrel (cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 feltárással és NH 4 -acetát + EDTA kioldással) a Cd és az Pb közepesen (30-60% közötti visszamérhetőség), a Cu és a Zn gyengén (10-30% közötti visszamérhetőség), az As, Cr és a Hg alig vagy gyakorlatilag nem visszamérhetőnek (10% alatti visszamérhetőség) bizonyult. Az As, Cu, Cr, Zn visszamérhetőségi átlagai között az egyes módszerek esetén lényeges eltérés nem tapasztalható. A szennyezés minősítésénél a szennyezés kora meghatározó tényező, a friss szennyezők jobban kimutathatóak az oldható frakciókban. 3. A kadmium és az ólom mind a cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 feltárással, mind a NH 4 -acetát + EDTA kioldással jól kimutatható, a mért összes és oldható koncentrációk kezelések átlagában meghatározott értékei a kísérlet során jó egyezést mutattak. Így a jelentős környezetszennyezőnek minősíthető ólom- és a kadmiumszennyezés utólagos minősítéséhez elegendő az oldható koncentrációk meghatározása. 4. A kísérleti elemek oldhatósági sorrendje a talaj szántott rétegében a kísérleti évek folyamán alapvetően nem módosult. A kísérleti eredmények alapján elkülöníthetők a talaj mobilis (kadmium, ólom, réz), kevésbé mobilis (arzén, cink) és gyorsan oldhatatlan formává alakuló (megkötődő) nem mobilis (higany, króm) szennyezői. 5. A talajterhelés során bevitt toxikus nehézfémek döntő mértékben a bevitel helyén maradtak, a szántott talajrétegben halmozódtak fel. Mélységi elmozdulást a kísérlet harmadik évében végzett vizsgálat szerint 5
három elem, az arzén a króm és az ólom mutatott. Az arzén és az ólom kilúgozódása enyhe mértékű volt, a króm azonban jelentős mértékű dúsulást mutatott a mélyebb talajrétegben. 3.2. Növényvizsgálati eredmények A talajterhelések nyomán kialakult nehézfémakkumuláció mértékének meghatározása minden kísérleti növénynél megtörtént, az őszi árpa, a mustár és a kender esetén a nehézfémakkumuláció dinamikájának vizsgálatára is lehetőség volt a különböző fenofázisokban vett növényi minták elemanalízisével. A borsó, az őszi árpa és a mustár jelzőnövény tenyészidőszakában fenológiai megfigyelések, mérések történtek a nehézfémterhelések fitotoxikus hatásának elbírálására. A talaj és a növények nehézfémtartalmának ismeretében nyomon követhető a vizsgált elemek mobilitásnak alakulása a talaj-növény rendszerben, a vizsgálati eredmények összevethetőek a nehézfémek talajban mutatkozó oldhatóságával, illetve vizsgálható az is, hogy a határérték feletti növényi nehézfémakkumuláció okoz-e fitotoxikus tüneteket. A fontosabb növényvizsgálati eredmények: 1. A borsó esetén a vegetatív szervekben szignifikáns dúsulást az arzén, a kadmium és a higany mutatott. A borsószemben csak a kadmium dúsult. 2. Az őszi árpa esetén a vegetatív szervekben az arzén és a kadmium, a szemtermésben a kadmium mutatott szignifikáns dúsulást. 3. A mustár esetén a növényi szervekben a kontrollhoz képest jelentős dúsulást a kadmium, mérsékelt dúsulást a cink mutatott. 4. A cirokban a kadmium és cink mutatott szignifikáns dúsulást. A többi vizsgált elem a cirokban statisztikailag igazolható (P=5%) módon nem akkumulálódott. 5. A fiatal kender növényben jelentéktelen mértékű, de statisztikailag (P=5%) igazolható dúsulás jelentkezett az arzén, a kadmium és a króm terhelés esetén. A többi vizsgált elem a kenderben jelentéktelen, P=5%-os szignifikancia szinten statisztikailag nem igazolható akkumulációt mutatott. 6. A lucernában 14 évvel a talajkezelést követően a vizsgált elemek közül az arzén és a kadmium mutatott enyhe, statisztikailag igazolható (P=5%) dúsulást. 7. A légszáraz növények nehézfémtartalma alapján a vizsgált nehézfémek mobilitási sorrendje a talajnövény rendszerben a következő: Zn > Cu > Cd > Cr >As > Pb > Hg. 8. Három-négy évvel a szennyezés után a toxikus elemek depresszív hatása a növények növekedésére, fejlődésére megszűnt, jelentősen mérséklődött, a növényi nehézfémakkumuláció a termesztett növénytől, növényi szervtől függő mértékben azonban továbbra is megmaradt. 9. A toxikus elemek dúsulása a növényekben a fejlődési szakasz elején kifejezettebb mint a tenyészidőszak végén. 10. A szemtermés védett a vizsgált nehézfémek többségével szemben, csak a kadmium, a króm és ólom jelent meg benne. 6
3.3. A növények és a szántott réteg nehézfémtartalmának összehasonlításának eredményei Az egyes nehézfémek növénybeni dúsulása, illetve felvehetősége a talaj-növény transzfer koefficiensek meghatározásával is értékelhető. A talaj-növény transzfer koefficiens értékét a növények nehézfémtartalmának és a talaj összes (cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 oldható) elemtartalmának hányadosa adja. A talaj-növény transzfer koefficiensek értékeinek számítására azokban a kísérleti években (2001, 2002, 2007) kerülhetett sor, amelyekben a talaj összes elemtartalma is meghatározásra került. Jelentős nehézfémfelvétel az esszenciális elemeknél (réz, cink) és a kadmiumnál volt tapasztalható. Legnagyobb mértékű akkumulációt a cink mutatott, a kísérleti növények átlagosan a talaj összes elemtartalmának 68%-át vették fel. A mustár a talaj összes Zn-tartalmának másfélszeresét halmozta fel. A réz és a kadmium transzfer koefficiense közel egyező (0,23 és 0,31) értéket mutatott. A réz transzfer koefficiense a kísérleti növényekben az átlag érték körül ingadozott, míg a kadmium esetén a mustár növényre számított transzfer koefficiens 0,86-os értéke jelentősen befolyásolta a kadmiumra számított átlagértéket. A talaj-növény transzfer koefficiensek értékei alapján a vizsgált nehézfémek mobilitási sorrendje a talaj-növény rendszerben a következők szerint alakult: Zn > Cu > Cd > Cr > As > Pb > Hg. Az egyes nehézfémek talaj-növény transzfer koefficiensének ismeretében lehetőség van annak vizsgálatára, hogy a LAKANEN-ERVIÖ (1971) módszerrel meghatározott oldható elemtartalom mennyiben felel meg a tényleges növényi elemfelvételnek. A megfelelőség vizsgálatához meghatározásra kerültek az egyes nehézfémek megoszlási arányának értékei a talaj oldható (NH 4 -acetát + EDTA oldható) és összes (cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 oldható) elemtartalmának hányadosaként. A talaj-növény transzfer koefficiensek értékeinek és a megoszlási arányoknak az összehasonlítása alapján elemenként eldönthető az, hogy a NH 4 - acetát + EDTA oldható elemtartalom mennyiben felel meg a növények által felvehető elemtartalomnak. A megoszlási arányok átlaga a legtöbb elem esetén jelentősen meghaladta a talaj-növény transzfer koefficiensek értékét. Ez alól kivételt a higany, króm és a cink képez. A higany, a króm, a kadmium és a réz esetén a NH 4 -acetát + EDTA oldható elemtartalom jó közelítette a növények számára felvehető elemtartalmat. Meg kell jegyezni azonban azt, hogy az oldható formában kiadott higany és króm sók rövid idő alatt oldhatatlan formákká alakultak, így a kísérleti növényekben a higany nem, a króm pedig csak kismértékben volt kimutatható. A cink esetén a megoszlási arány értéke a transzfer koefficiens értékének 1/5-e volt. Ez azt mutatja, hogy cinkből a talajnak lehetnek olyan növények számára felvehető tartalékai, amelyek LAKANEN-ERVIÖ (1971) módszerérel nem mutathatók ki. 3.4. A növények és a szántott réteg nehézfémtartalma közötti összefüggések vizsgálatának eredményei 2001-ben, 2002-ben és 2007-ben a talaj szántott rétegében az oldható és az összes elemtartalom meghatározása is megtörtént. A mérési eredmények alapján az ezekben az években termesztett növények 7
esetén a növényi nehézfémtartalom és a szántott réteg nehézfémtartalma közötti összefüggések vizsgálatára is sor kerülhetett. Az összefüggés-vizsgálatot regresszió analízissel és a variációs koefficiensek (CV) értékének meghatározásával végeztem. A függvénykapcsolatok és az abból levont következtetések az esetek többségében csak tájékoztató jellegűek, hiszen az összefüggés-vizsgálat a kísérlet sajátosságából adódóan csak a mérések 4-4 átlageredményére terjedhetett ki. Az ólom és higany esetén a növényi akkumuláció a kimutathatósági határ alatt volt, a kezelések hatása réznél és - a mustár kivételével a krómnál a növényekben nem volt kimutatható. Az őszi árpa, a mustár, a lucerna és a szántott réteg oldható, valamint összes As-, Cd- és Zn-tartalma közötti összefüggés-vizsgálatok lineáris és logaritmusos függvénykapcsolatot mutattak. A függvénykapcsolatok a meghatározott variációs koefficiensek értéke alapján többségében matematikai modellként értékelhetőek. Az összefüggés vizsgálati eredmények alapján meghatározható, hogy határérték feletti növényi nehézfémakkumuláció a talaj milyen értékű oldható és összes nehézfémtartalmánál jelenik meg. 3.5. Új tudományos eredmények 1. Csernozjom barna erdőtalajon a talaj szántott rétegében a kísérleti elemek NH 4 -acetát + EDTA oldható és cc. HNO 3 + cc. H 2 O 2 oldható elemtartalmának százalékos arányából meghatározott oldhatósági sorrend a kísérleti évek átlagában a következő volt: Cd > Pb > Cu > As > Zn > Hg > Cr. A kísérleti évek során a legoldhatóbb és a legkevésbé oldható elemek csoportja nem változott. A szántott talajrétegben a Cd, Pb, Cu, Zn hosszú ideig oldható formában marad, míg a Cr és a Hg a gyorsan oldhatatlanná válik. 2. A csernozjom barna erdőtalajon termett borsó esetén (Pisum sativum L.) a vegetatív szervekben a kontrollhoz képest jelentős, szignifikáns dúsulást az arzén, a kadmium és a higany mutatott. A borsószemben szignifikánsan csak a kadmium dúsult. A borsóra enyhe toxicitást a kísérlet negyedik évében a vizsgált elemek közül csak a króm gyakorolt. A termésjellemzők alakulására az As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn depresszív hatása nem volt kimutatható. Az arzén-, kadmium- és higanyakkumuláció látható tünetek és terméscsökkenés nélkül következett be a növényben. 3. A csernozjom barna erdőtalajon termett őszi árpa (Hordeum vulgare L.) esetén a vegetatív szervekben a kontrollhoz képest jelentős, szignifikáns dúsulást az arzén és a kadmium mutatott. A szemtermésben a kadmium szignifikánsan, a króm tendenciaszerűen dúsult. A növény vizsgálatok szerint egyik nehézfém sem volt toxikus az őszi árpára. A kezelések nem gátolták a növények fejlődését és a termésképzést. A termésjellemzők alakulására az As, Cd, Cr, Cu, Hg, Pb, Zn depresszív hatása nem volt kimutatható. Az arzén- és a kadmiumakkumuláció látható tünetek és terméscsökkenés nélkül következett be a növényben. 4. A csernozjom barna erdőtalajon termett fehér mustár (Sinapis alba L.) esetén a növényi szervekben a kontrollhoz képest jelentős dúsulást a kadmium, mérsékelt dúsulást a cink mutatott. A fiatal mustár növényben a kadmium és a cink szignifikánsan dúsult, a növény öregedésével a dúsulás csak tendeciaszerűen jelentkezett. Az arzén, a higany és az ólom a növényi szervekben nem volt kimutatható. 8
A mustár érzékenyen reagált a talaj kadmium, króm és réz kezelésére, a kadmium, króm és réz toxikus hatása a mustár fenológiai tulajdonságaiban is megmutatkozott. 5. Csernozjom barna erdőtalajon a talaj szántott rétegének NH 4 -acetát + EDTA oldható nehézfémtartalma a Hg, a Cr, a Cu és a Cd esetén jól közelítette, az As és az Pb esetén nagyságrendileg meghaladta a tényleges növényi nehézfémfelvételt. A Zn esetén a tényleges növényi Zn-felvétel a szántott réteg NH 4 - acetát + EDTA oldható Zn-tartalmának ötszörösének adódott. 6. Csernozjom barna erdőtalajon a talaj-növény transzfer koefficiensek értéke alapján a vizsgált nehézfémek mobilitási sorrendje a talaj-növény rendszerben a következő sorrendet mutatta: Zn > Cu > Cd > Cr >As > Pb > Hg. A mobilitási sorrendben néhány növény esetén a cinket a kadmium, illetve a króm követte. A növényekben legkevésbé az ólom és higany akkumulálódott, az akkumuláció mértéke a legtöbb növény esetén kimutathatósági határ alatt maradt. 7. Csernozjom barna erdőtalajon, a szántott talajréteg vizsgált nehézfémkoncentráció tartományában a szántott talajréteg As- és Cd-tartalma az őszi árpa, a lucerna és a fehér mustár vegetatív szervei esetén lineáris, az őszi árpa szemtermés esetén logaritmikus kapcsolatot mutatott a növényi As-, valamint Cd-tartalommal, a szántott talajréteg Zn-tartalma az őszi árpa, a lucerna és a fehér mustár esetén lineáris kapcsolatot mutatott a növényi Zn-tartalommal, az arzén, a kadmium és a cink esetén szoros korreláció volt kimutatható a talaj és növény arzén-, a kadmium- és a cink-tartalma között. 4. KÖVETKEZTETÉSEK ÉS JAVASLATOK 4.1. Következtetések A vizsgált nehézfémek oldhatósági viszonyainak, talajban való akkumulációjának alakulására vonatkozó következtetések: 1. Az Al-terhelések statisztikailag igazolhatóan (P=5%) növelték a szántott talajréteg oldható Altartalmát, azonban nagyságrendnyi dúsulást nem eredményeztek, hiszen az Al-szilikátok a legfőbb talajalkotók, így tömegükhöz képest a 270 kg/ha adagú Al-terhelés is jelentéktelennek bizonyult. 2. A szántott talajréteg oldható As-tartalma a kísérlet harmadik évében 1/5-ére, a negyedik évben 1/20- ára mérséklődött, majd a további években az oldható As-tartalom a kezelési szintektől függően 0,5-7,2 mg/kg között alakult. A kísérleti eredmények alapján megállapítható, hogy az arzén a talajban meglehetősen nehezen mozog, és nem lúgozódik ki. 3. A szántott talajréteg oldható Cd-tartalma a kísérlet harmadik évében 4/5-ére, a következő évben a 2/5- ére csökkent, majd mennyisége lassan mérséklődött. A kísérlet további éveiben az oldható frakció a kezelési szintektől függően 4,2-35 mg/kg közötti értéket vett fel. A kísérlet során a talaj szántott rétegében a kadmium bizonyult a legoldékonyabb elemnek. A Cd-kezelés a beviteli zónában maradt, mélységi elmozdulása kizárhatónak tekinthető, a kilúgozásnak a kadmium ellenáll. 9
4. A króm oldható frakciója már a kijuttatást követő hat hónap elteltével 1/10-ére csökkent a szántott talajrétegben. Három évvel a szennyezést követően a kijuttatott Cr-szennyezés 0,7%-a volt visszamérhető, a kísérlet további éveiben az oldható frakciója a kezelési szintektől függően 0,1-0,8 mg/kg közötti koncentrációban volt kimutatható. A kísérlet során a talaj szántott rétegében a króm bizonyult a legkevésbé mobilis elemnek, az oldható formában adott króm a feltalajban feltételezhetően Cr-oxid formájában gyorsan megkötődött. A talajvizsgálatok a króm kifejezett mélységi elmozdulását, gyors kilúgozódását bizonyították, a kilúgozódás az egész talajszelvényben nyomon követhető volt. 5. A szántott talajréteg oldható Cu-tartalma a kísérlet harmadik évében a felére, a kísérlet nyolcadik évére a harmadára csökkent, a további években koncentrációja a kezelési szintektől függően 8-30 mg/kg között volt mérhető. A réz a talajban oldékony elemnek tekinthető, oldékonysága a vizsgált elemek oldhatósági rangsorában a harmadik. A réz a szántott rétegben megkötődött és nehezen oldható formákká alakult, mélységi elmozdulása kizárható. 6. A higany oldható frakciója már a kijuttatást követő hat hónap elteltével 1/8-ára csökkent a szántott talajrétegben. Három évvel a szennyezést követően a kijuttatott Hg-szennyezés 0,7%-a volt visszamérhető, a kísérlet további éveiben a higany oldható formában a feltalajban nem volt kimutatható. A kísérleti eredmények azt mutatták, hogy a higany sói gyorsan megkötődnek a talajban, beépülnek a kristályrácsokba, illetve mikrobiológiai úton illó vegyületekké alakulnak át. A higany esetén dúsulás a mélységi rétegekben nem volt kimutatható. 7. Az ólom oldható frakciója a harmadik kísérleti évben a szántott talajrétegben 1/3-ára csökkent, majd a további években gyakorlatilag nem változott, értéke kezelési szintektől függően 7-36 mg/kg között mozgott. A kísérleti eredmények szerint az ólom a talaj legmobilisabb elemei közé tartozik. A mélységi talajvizsgálatok szerint a talaj 30-60 cm-res rétege enyhe Pb-dúsulást mutatott, ami az ólom mélységi elmozdulására, kilúgozására utalt. 8. A cink oldható frakciója a kísérlet harmadik évében a felére, a következő évben a negyedére csökkent a szántott talajrétegben, majd mennyisége stabilizálódott (6,5-17 mg/kg). A cink a kísérletben nem bizonyult mobilis elemnek. A cink mélységi elmozdulást nem mutatott, megkötődött a bevitel helyén, a kilúgozásnak ellenállt. 9. A 6/2009. (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM együttes rendeletben a vizsgált elemekre meghatározott szennyzettségi határértékeket kísérleti adatainkkal összevetve megállapítható, hogy a maximális talajterhelésnél (270 kg/ha) a kijuttatást követő 12-14. évben mért összes elemkoncentrációk az arzén, a higany és a kadmium esetén a jelentősen meghaladták a talajszennyzettségi határértékeket. A vizsgált nehézfémek talaj-növény rendszerben való akkumulációjának alakulására, fitotoxikus hatására vonatkozó következtetések: 1. Az alumíniumterhelés negatív hatása a növényekben nem jelentkezett. A növények, növényi szervek Alkoncentrációja nagy szórást mutatott, sem tendenciaszerű, sem statisztikailag igazolható (P=5%) Aldúsulás a kísérleti növények esetén nem volt meghatározható. 10
2. Az arzén kifejezett depresszív hatása a kísérlet első két évében mutatkozott meg, a kísérlet további éveiben a depresszív hatás a vizsgált növények esetén mérséklődött, majd megszűnt. Az arzén a maximális terhelésnél sem dúsult a növényi szervekben, mindössze néhány növény vegetatív szerve mutatott némi akkumulációt. A kísérleti növények szemtermése védettnek bizonyult az As-szennyezéssel szemben. A kísérleti eredmények alapján kijelenthető, hogy az arzén mozgása gátolt a talaj növény rendszerben, mozgékonysága a kísérlet negyedik évétől jelentősen csökkent. 3. A kadmium fitotoxikus hatást a kísérlet második évében mutatott, a kísérlet további éveiben a vizsgált növények esetén a toxikus hatás mérséklődött, majd megszűnt. A kadmium minden növényi szervben akkumulálódott, mozgékonyságát hosszú ideig megtartotta a talaj-növény rendszerben, azonban mozgékonysága a jelentéktelen mértékű akkumuláció miatt mérsékeltnek tekinthető. A kadmium minden jelzőnövény esetén enyhe dúsulást mutatott. A vegetatív szervekben az akkumuláció általában tendenciaszerű volt, csak a legnagyobb adagú kezelés (270 kg/ha) okozott statisztikailag igazolható (P=5%) hatást. A vizsgált elemek közül a szemtermésben kizárólag a Cd-dúsulás okozott satisztikailag igazolható kezeléshatást. A növényi Cd-akkumuláció a 270 kg/ha adagú kezelésekben csaknem minden növény, növényi szerv esetén megakadályozta a humán és a takarmányozási célú felhasználást. 4. A króm toxicitása a 270 kg/ha adagú terhelésnél kifejezett volt az első három év során, majd jelentősen mérséklődött, a Cr(VI) fokozatosan kevéssé mérgező Cr(III) vegyületté alakult a talajban. Néhány növény esetén a króm stimulatív hatása volt megfigyelhető. Kifejezett Cr-akkumulációt a kísérlet második évében az őszi búza mutatott. A további kísérleti években a króm jelentéktelen dúsulást mutatott a növényi szervekben, ezért nem minősíthető mobilnak a talaj-növény rendszerben sem. 5. A réz kifejezett depresszív hatása a kísérlet első két évében mutatkozott meg, a kísérlet további éveiben a depresszív hatás a vizsgált növények esetén mérséklődött, majd megszűnt. A kísérleti növényekben csak néhány esetben a 270 kg/ha-os terhelési szinten jelentkezett mérsékelt Cu-akkumuláció. Az egyes növényi szervek Cu-tartalma kiegyenlített értéket mutatott. Statisztikailag igazolható (P=5%) kezeléshatást a réz esetén csak az 1995-ös búza kísérlet mutatott, a későbbiekben igazolható kezeléshatás egyik növény esetén sem volt kimutatható. 6. A fitotoxikus hatásra utaló jeleket és jelentős Hg-dúsulást a kísérlet első jelzőnövénye az őszi búza mutatatott (a szemtermés azonban nem szennyeződött), a később termesztett növényfajoknál sem toxicitás, sem érdemi dúsulás nem lépett fel. A higany mozgékonysága a talaj-növény rendszerben a szennyezést követő második évtől szinte teljesen megszűnt. A kísérleti eredmények szerint a higany nem tekinthető mobilisnak a talaj-növény rendszerben. 7. Az ólom depresszív hatása a talaj-növény rendszerben nem volt statisztikailag igazolható (P=5%), néhány esetben az ólom stimulatív hatása volt megfigyelhető. A talaj Pb-terhelése a kísérlet első négy évében a jelzőnövényekben mérsékelt Pb-felhalmozást eredményezett, ami az ezt követő években nem volt tapasztalható. Kezeléshatás csak a kísérlet első évében az őszi búzánál volt kimutatható, amelynél az ólom a magtermésben is felhalmozódott. Az eredmények alapján az Pb nem tekinthető mobilisnak a talaj-növény rendszerben. 11